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[专家学者] 2019国家科学技术奖提名-特种焊接冶金机理与组织性能调控

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发表于 2019-1-20 10:41:27 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 hansha 于 2019-1-20 10:43 编辑

国家自然科学奖提名公示内容(2019年度)
一、项目基本情况
一、项目基本情况项目基本情况
提名 者  工业和信息化部
项目名称  特种焊接冶金机理与组织性能调控
主要完成人
冯吉才(哈尔滨工业大学),曹健(哈尔滨工业大学),何鹏(哈尔滨工业大学),张洪涛(哈尔滨工业大学),林铁松(哈尔滨工业大学)

我单位认真审阅了该项目推荐书及附件材料,确认全部材料真实有效,相关栏目均符合国家科学技术奖励办公室的填写要求。焊接是应用最广泛的先进制造技术之一,是多种关键产品的核心制造技术,项目组针对异质金属和陶瓷/金属两类典型的性能特异材料体系,以熔钎焊、钎焊、扩散焊等特种焊接方法为手段,系统研究了焊接冶金机理与组织性能调控机制。揭示了异质金属熔钎焊接头界面化合物形成机制,阐明了接头界面组织演化规律,发展了异质金属焊接接头的组织性能调控理论体系;发现了异质金属扩散连接阻隔层设计规律,阐明了低温扩散连接机理;揭示了陶瓷与金属焊接接头界面反应行为与应力调控机制,阐明了焊接质量主控因素与焊接机理,发展了陶瓷/金属接头应力调控理论。8篇代表论文SCI他引407次,单篇SCI他引最高95次,他引总计798次。项目研究成果丰富了焊接冶金基础理论,引领了我国焊接行业的发展,巩固及提高了我国在国际焊接领域的地位,实现了与国际焊接新技术的同步发展。学术成果与衍生技术已成功用于指导导弹姿轨控发动机喷管、空间推进系统管道、汽车冷却器等关键产品的设计与制造,部分成果曾获2016年黑龙江省自然科学一等奖和2004年教育部自然科学一等奖。
提名该项目为国家自然科学奖二等奖。


三、项目简介
(限1页)
焊接是重要的先进制造技术,常规的熔焊方法由于温度高、热输入大,接头微观组织与热应力难控制,无法满足新材料及异种材料的焊接要求,产品焊接质量不稳定,如我国某型号火箭曾因焊点质量问题导致发射失败,欧洲阿里安娜-5号火箭也曾因喷管焊接问题导致爆炸。随着新材料及异质材料结构的大量应用,开发先进的特种焊接方法、深入研究焊接冶金机理已成为国际焊接领域的热点。
该项目面向国家重大战略需求,在国家杰出青年科学基金、973课题等资助下,针对异质金属和陶瓷/金属两类典型的性能特异材料体系,从焊接制造工程中提炼出科学问题,系统研究焊接过程的本质特征,在组织性能调控与焊接冶金机理揭示等方面取得了重要科研成果,为特种焊接制造技术的突破性发展奠定了理论基础。主要科学发现包括:
一、发现了热输入对异质金属熔钎焊界面化合物的影响规律,揭示了熔钎焊过程中熔滴过渡特征,建立了电源动态特性曲线与能量密度方程。发现低熔涂层液膜减小润湿阻力的界面活化现象,提出了利用“表面液膜”改善润湿的新思路,为铝/钢等异质金属的熔钎焊提供了理论支撑。
二、提出了阻隔层抑制异种材料接头界面金属间化合物的思想,确定了全固溶阻隔层的设计准则,建立了相变扩散连接界面金属间化合物成长的物理模型,发现了表面活化、氢致活化和自蔓延反应辅助低温扩散连接调控界面化合物的特性与机制,阐明了钛/钢等异质金属接头的低温扩散连接机理。
三、提出了原位自生反应复合钎焊缓解陶瓷/金属接头应力的思想,建立了界面反应层及晶须生长的动力学模型,指导了反应层的有效调控与预测,阐明了晶须在缓释以及转移接头应力中的作用原理,发现了非平直界面对接头组织与性能的作用规律,发展了陶瓷/金属接头应力调控理论,实现了多种陶瓷/金属的反应复合连接。
该项目8篇代表性论文总计被Progress in Materials Science、Acta Materialia等期刊SCI他引407次,单篇最高SCI他引95次,他引总计798次,获得了国际学术界的认可。美国工程院S. J. Hu院士、中国工程院林尚扬院士、张立同院士、美国金属学会S. Kou会士等院士、国际期刊主编/副主编、学会会士,广泛引用和高度评价了项目组提出的机理与方法。项目负责人冯吉才教授为焊接领域首位国家杰出青年科学基金获得者,担任中国焊接学会理事长。项目组获国家发明专利授权9项,理论成果及衍生技术已成功用于指导导弹姿轨控发动机喷管、空间推进系统管道、汽车冷却器等关键产品的设计与制造。部分研究成果获2016年黑龙江省自然科学一等奖和2004年教育部自然科学一等奖。
四、客观评价
在特种焊接冶金机理与组织性能调控研究方面的8篇代表性论文受到了美国、加拿大、英国等20多个国家和地区的学者引用798次(SCI他引407次),单篇最高SCI他引95次。代表性研究成果得到了哈佛大学、加州大学伯克利分校、美国爱迪生焊接研究所、日本接合科学研究所等著名研究机构/高校的持续跟踪,美国工程院S. J. Hu院士、中国工程院林尚扬院士、张立同院士、美国金属学会S. Kou会士等院士、国际期刊主编/副主编、学会会士正面引用和肯定了项目组的研究成果。相关研究成果已成功用于指导导弹姿轨控发动机喷管、空间推进系统管道、汽车冷却器等关键产品的设计与制造。部分成果获得了2016年黑龙江省自然科学一等奖和2004年教育部自然科学一等奖。
1、对发现点1的代表性评价
中国焊接学会前理事长陈剑虹教授在发表的论文中对项目组的研究成果给予了高度评价,并直接引用了项目组“锌层促进熔融金属在钢基体表面的润湿和铺展”的研究结论(Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2014, 136:051015-1-10)。美国工程院S. J. Hu院士在制造工程研究领域著名期刊CIRP Annals -Manufacturing Technology中认可了项目组的研究工作,认为项目组“采用EDX分析确定了铝/钢熔钎焊金属间化合物层的相组成。”(CIRP Annals-Manufacturing Technology, 2015, 64: 679-699)。
德国应用科技大学著名钎焊专家M. Kantehm教授在其论文中直接引用项目组关于异种金属冷金属过渡焊接电源特性的图表解释其焊接工艺特征(Advanced Engineering Materials,2012,14:873)。加拿大麦吉尔大学D. Emadi教授在论文中采用项目组提出的“非均质扩散(anisotropic diffusion)”的研究成果解释其研究中焊接界面层定向生长的现象(Materials Science and Technology, 2011,27: 1707-1717)。美国金属学会会士S. Kou教授认可了项目组的界面反应产物调控机制,并利用项目组得到的“最大厚度小于10μm时才可以获得高性能接头”作为后续分析的对比依据(Materials Science and Engineering A, 2010,527: 7151-7154)。
中国工程院林尚扬院士在论文中引用了项目组论文,对项目组的铝/钢异质金属焊接界面产物调控研究给予了正面评价,指出“项目组发现,尽管形成了金属间化合物,接头最弱区域仍然是铝母材热影响区”(Journal of Materials Processing Technology,2014,214: 2684-2692)。
2、对发现点2的代表性评价
俄亥俄州立大学焊接专家J.P. Oliveira教授在材料领域权威期刊Progress in Materials Science(影响因子31.14) 指出,项目组“在反应辅助扩散连接过程中,利用纳米多层膜中间层在界面提供外加能量,进而降低扩散连接温度”(Progress in Materials Science, 2017, 88: 412-466)。德国多特蒙德大学材料技术系主任W.Tillmann教授在其发表的文章中对项目组在钛-镍-钢扩散偶的研究结果给予了积极评价,认为“项目组研究了采用Ni中间层的接头,通过添加纯Ni中间层有效阻止了Ti与Fe或C之间的原子扩散和迁移,进而获得了高质量的接头” (Journal of materials processing technology, 2009, 209:2746-2752)。
美国高级制造业国家计划办公室主任B.K. Paul教授(Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2010,132:030902-1-5)、印度霍米哈巴国家研究所首席科学家S.Singh教授(Progress in Materials Science, 2018,96: 1-50)以及印度孟加拉工程技术学院C.Subrata教授发表的28篇文章均对项目组报道的“钛镍类化合物相比于铁钛化合物具有更高的弹塑性”的研究成果给予积极评价或作为试验依据。印度英迪拉·甘地原子能研究中心主任A.K. Bhaduri教授在其发表的文章中直接引用项目组的研究成果,认为“项目组采用镍作为钛与钢连接的中间层,其接头耐腐蚀性和塑性获得了改善”(Journal of Materials Processing Technology, 2009, 209: 5862-5870)。
冶金领域著名期刊Journal of Alloys and Compounds编委、挪威科技大学V.A. Yartys教授对项目组提出的氢化物分解机制予以了肯定,并直接采用项目组获得的激活能数据进行后续对比分析(International Journal of Hydrogen Energy,2013,38: 14704-14714)。斯洛文尼亚金属研究所I. Paulin教授在论文中多次正面引用了项目组在氢化物分解活化机理方面的研究成果,特别是对项目组提出的TiH2四步分解机制予以了正面评价(Vacuum, 2012,86: 608-613)。
3、对发现点3的代表性评价
加拿大滑铁卢大学先进材料连接中心主任Norman Y. Zhou教授在论文中多次大段引用评述了项目组的研究工作,指出“项目组通过构建图案化界面结构,缓解接头应力,配合钎料向复合材料母材的润湿渗入形成机械咬合,最终成功提高了连接质量”(Journal of Alloys and Compounds, 2019, 772: 418-428)。墨西哥焊接专家E.Athenea教授在论文中认可了项目组在C/C复合材料与TiAl连接的研究工作,指出“项目组发现,Ag-Cu-Ti钎料中的Ag基固溶体通过等温凝固在接头中形成了层状结构,有助于提升C/C复合材料与TiAl的连接强度”(Materials &Design, 2014, 54: 845-853)。
美国威斯康星斯科特大学的R.Asthana1教授在论文中引用了项目组的研究成果,认为“对多孔母材进行钎焊时,钎料会向母材内部渗透,使得界面处参与反应的钎料量不足。然而,钎料向母材中渗入并形成连接,抵消了界面处钎料不足所带来的影响。事实上,项目组通过在C/C复合材料上钻孔,使Ag-Cu-Ti钎料向孔洞中的渗入,提升了C/C复合材料与金属连接的强度”(High Temperature Ceramic Matrix Composites 8: CeramicTransactions, 2014, 248: 589-600)。
西北工业大学李贺军教授在发表论文中对项目组采用陶瓷晶须调控陶瓷与金属接头应力的工作给予了正面评价,认为“项目组通过在接头中原位形成TiB晶须,并利用其低膨胀以及载荷传递作用可以有效的缓解接头残余应力,接头获得了强化”(Ceramics International, 2016, 42: 6347-6354)。西北工业大学张立同院士、伊朗谢里夫理工大学M.A. Faghihi Sani教授在发表的文章中也对项目组的工作给予了正面评价(Materials &Design, 2012, 36: 499-504; 2013, 49:197-202)。

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